1、前言

本片文章将以计算机 CPU 为出发点，阐述有关 CPU 指令集与体系架构方面的知识。
对于从事开发、运维、实施等相关从业者会有一定的帮助。

2、认识 CPU

CPU 也叫 中央处理器， 是计算机的核心组件之一，负责执行计算机程序的指令和数据处理。

其作用，可涵盖以下主要方面：

  • 执行指令：CPU负责执行计算机程序中的指令，这些指令包括算术运算、逻辑运算、数据传输等。计算机程序的所有操作都通过CPU执行。
  • 数据处理：CPU可以执行各种算术和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法、比较、逻辑与或非等操作。这使得CPU能够执行各种复杂的数学运算和逻辑决策。
  • 控制计算机：CPU负责控制计算机的各种硬件组件，包括内存、输入设备、输出设备等。它协调这些组件之间的数据传输和操作，以确保计算机正常运行。
  • 执行程序：CPU执行存储在内存中的程序，这些程序通常以二进制代码的形式存在。CPU按照程序计数器中的地址顺序执行指令，这个地址指示下一条要执行的指令的位置。
  • 缓存管理：CPU管理各级高速缓存（Cache），以提高数据访问速度。它根据需要从内存中加载数据到缓存，并将数据从缓存写回内存。
  • 中断处理：CPU能够响应外部事件，如硬件中断或异常，以执行相应的处理程序。这允许计算机在需要时处理外部事件，如输入设备的信号或错误条件。
  • 多核处理：现代CPU通常具有多个核心，每个核心能够并行执行指令，从而提高计算性能。多核处理器使计算机能够同时处理多个任务。
  • 时钟控制：CPU的时钟频率决定了其执行指令的速度。时钟频率越高，CPU执行指令的速度越快，但也伴随着更高的功耗。

那么总体来说，CPU 就是计算机的核心组件，可以看作是计算机的大脑，而CPU的性能和能力对计算机的整体性能起着关键作用，因此在选择计算机或处理器时，CPU自身的架构通常是一个体现不同性能和应用场景的关键性因素。

3、指令集（ISA）

既然说到 CPU 架构，就不得不提一提 CPU 指令集。

CPU指令集（Instruction Set Architecture，ISA）是一组定义了CPU可以执行的指令和操作的规范，或者可以说是编码方式。指令集（ISA） 决定了计算机程序如何编写、如何与CPU交互以及如何执行计算。

其作用，可涵盖以下主要方面：

  • 指令集：一组可执行的指令，每个指令代表一个特定的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传输、控制流操作等。
  • 寄存器文件：定义了CPU中的寄存器的数量、用途和寄存器之间的交互方式。
  • 内存寻址方式：规定了如何访问内存中的数据，包括寻址模式和地址计算方式。
  • 异常和中断处理机制：定义了CPU如何处理异常（如除零错误）和外部中断（如硬件中断）。
  • 地址空间：规定了CPU的寻址范围，即CPU可以访问的内存地址范围。

那么说到这里，可能会有人不太理解这指令集的实际作用，简单的说，CPU 自身提供了执行、计算以及交互的能力，而指令集（ISA）决定了 CPU 在执行、计算以及交互时的规范、标准或方式。

那么指令集有哪些分类呢？

4、指令集的分类（RISC / CISC）

根据目前市场上主流的 CPU 来说，所涉及到的指令集架构主要有两类

4.1、精简指令集架构（RISC）

RISC 架构采用了简化的指令集，每个指令的执行时间相对较短。RISC架构注重硬件简单性和高性能，通常具有较少的指令，但需要更多的指令来执行相同的任务。典型的RISC架构包括ARM和MIPS。

  • 优点：高性能、低功耗、可定制性。
  • 缺点：需要更多指令来完成复杂任务，可能导致更大的程序大小。

4.2、复杂指令集架构（CISC）

CISC 架构拥有更多且复杂的指令，每个指令可以执行更多的任务。CISC架构通常执行复杂的多步操作，例如内存访问和算术运算。

  • 优点：每个指令可以执行更多任务，减少了程序大小。
  • 缺点：硬件复杂，可能导致较高的功耗和较低的性能。

两者相对来说
CISC的指令能力强，单多数指令使用率低却增加了CPU的复杂度，指令是可变长格式；
RISC的指令大部分为单周期指令，指令长度固定，操作寄存器，只有Load/Store操作内存；


CISC支持多种寻址方式；
RISC支持方式少；


CISC通过微程序控制技术实现；
RISC增加了通用寄存器，硬布线逻辑控制为主，是和采用流水线；

CISC的研制周期长；
RISC优化编译，有效支持高级语言；

综上所述
对于不同的 CPU架构 则采用了不同的 指令集（ISA） ，不同的 指令集（ISA） 适用于不同的应用领域，具有不同的优点和缺点。选择适当的指令集（ISA）取决于性能、功耗、编程复杂度和应用需求。因此，计算机架构的设计涉及权衡不同的因素，以满足特定的需求。

5、CPU 架构与指令集的关系

CPU 架构是 CPU 厂商给属于同一系列的 CPU 产品制定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标识。目前市面上的 CPU 主要分有两大阵营，一个是Intel、AMD为首的复杂指令集CPU，另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。两个不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，

目前市面上主流的 CPU 架构，主要包括：

  • X86 架构（CISC 指令集），品牌公司：Intel、AMD等
  • ARM 架构（RISC 指令集），品牌公司：ARM、Apple等
  • MIPS 架构（RISC 指令集），品牌公司：国产紫光、蓝思科技、美光科技等
  • RISC-V 架构（RISC 指令集），品牌公司：谷歌、西部数据、国产飞腾等

四种主流架构，其特点与应用也有所不同。

5.1、X86 架构

x86架构是一种常见的复杂指令集计算机（CISC）架构，最初由英特尔（Intel）开发。它是目前个人计算机（PC）和服务器领域最广泛使用的CPU架构之一。

其特点，主要涵盖以下方面：

  • 复杂指令集计算机（CISC）：x86架构采用了复杂指令集，其中包含多种复杂的指令，每个指令可以执行多个操作，包括算术运算、逻辑运算、数据传输、控制流操作等。这种设计旨在提供灵活性，减少程序员的工作量，但也导致了较复杂的硬件设计。

  • x86-64架构：x86架构的一种扩展是x86-64，也称为AMD64或Intel 64。x86-64扩展了x86的寻址能力，允许处理更多内存，并提供了64位寄存器和指令。它广泛用于现代计算机，支持64位操作系统和应用程序。

  • 广泛应用领域：x86架构的处理器广泛应用于桌面计算机、笔记本电脑、服务器、工作站以及一些嵌入式系统。它在计算机市场中具有主导地位。

  • 软件支持：x86架构具有广泛的软件支持，包括各种操作系统（如Windows、Linux、macOS）、应用程序和开发工具。这使得x86计算机能够运行大多数主流软件。

  • 多核处理器：现代x86处理器通常具有多个核心，每个核心可以并行执行指令，提高了计算机的性能。多核处理器在多线程应用和并行计算方面表现出色。

  • 时钟频率：x86处理器通常具有较高的时钟频率，这有助于提高性能。然而，高时钟频率通常伴随着更高的功耗和散热要求。

  • 功耗管理：一些x86处理器支持动态频率调整和节能功能，以在不需要高性能时降低功耗。

  • 集成GPU：一些x86处理器集成了图形处理单元（GPU），用于图形渲染和多媒体应用。

5.2、ARM 架构

ARM架构（Advanced RISC Machine架构）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，最初由ARM Holdings（现在是Arm Limited）开发。ARM架构是一种低功耗、高性能的CPU架构，广泛用于各种移动设备、嵌入式系统、物联网设备和其他低功耗应用。

其特点，主要涵盖以下方面：

  • RISC架构：ARM架构采用精简指令集计算机（RISC）设计理念，其指令集相对较小，每个指令执行时间相对较短。这有助于提高性能和降低功耗。

  • 低功耗设计：ARM架构以低功耗设计而闻名，适用于移动设备和电池供电的设备。ARM处理器通常能够在低功耗状态下运行，并具有节能功能。

  • 多核处理器：现代ARM处理器通常具有多个核心，这些核心可以并行执行指令，提高性能。多核ARM处理器广泛用于智能手机、平板电脑和嵌入式系统。

  • 软件支持：ARM架构有广泛的软件支持，包括多种操作系统，如Android、iOS、Linux等，以及各种应用程序和编程工具。

  • 嵌入式系统：ARM处理器常用于嵌入式系统，如智能家居设备、工业自动化、汽车电子和医疗设备。其低功耗和小型封装使其适用于各种嵌入式应用。

  • 可定制性：ARM架构允许制造商根据特定应用需求进行自定义设计，以满足不同市场的要求。这促使了各种ARM处理器的变种，包括Cortex-A（应用处理器）、Cortex-R（实时处理器）和Cortex-M（微控制器）等。

  • 物联网（IoT）应用：ARM架构在物联网应用中非常流行，因为它的低功耗和高性能使其适用于连接大量设备的场景。

  • 安全性：ARM架构越来越注重安全性，提供了各种硬件和软件安全功能，以保护设备和数据免受恶意攻击。

5.3、MIPS 架构

MIPS架构（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，最初由斯坦福大学开发。MIPS架构以其简化的指令集和高性能而著称，广泛用于各种领域，包括嵌入式系统、网络设备、工作站和超级计算机。

其特点，主要涵盖以下方面：

  • RISC架构：MIPS架构采用了精简指令集计算机（RISC）设计理念，其指令集相对较小，每个指令执行时间相对较短。这有助于提高性能和降低功耗。

  • 高性能：MIPS架构被设计用于提供高性能，其处理器通常具有高时钟频率和多级流水线，以实现更高的指令执行速度。

  • 多核处理器：现代MIPS处理器通常支持多核设计，这些核心可以并行执行指令，提高整体性能。MIPS多核处理器常用于网络设备、存储系统和嵌入式应用。

  • 嵌入式系统：MIPS架构在嵌入式系统领域非常流行，包括智能手机、网络路由器、数字电视、汽车控制系统等。其高性能和低功耗特性适合这些应用。

  • 软件支持：MIPS架构有广泛的软件支持，包括各种操作系统，如Linux和嵌入式操作系统。它还支持各种应用程序和编程工具。

  • 可定制性：MIPS架构允许制造商根据特定应用需求进行自定义设计，以满足不同市场的要求。这促使了各种MIPS处理器的变种，包括高性能和低功耗的。

  • 工业控制和嵌入式控制：MIPS架构常用于工业控制系统、嵌入式控制和实时系统，因为它提供了可靠性和可预测性。

  • 教育和研究：MIPS架构在教育和研究领域广泛使用，因为它具有清晰的指令集结构和教学用途。

5.4、RISC-V 架构

RISC-V（发音为"risk-five"）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，以其开放标准和可定制性而闻名。与其他架构不同，RISC-V的设计是开源的，可以免费使用，并允许用户根据其需求自定义处理器核心。

其特点，主要涵盖以下方面：

  • 开放标准：RISC-V是一个完全开放的指令集架构，其规范公开可用，没有专利限制。这使得任何人都可以实现和定制RISC-V处理器核心，而不必支付许可费用。

  • 精简指令集计算机（RISC）：RISC-V采用了RISC设计理念，其指令集相对较小，每个指令执行时间相对较短，有助于提高性能和降低功耗。

  • 可定制性：RISC-V的一个关键优势是可定制性。用户可以选择不同的扩展和配置选项，以满足特定应用的需求。这意味着可以创建适合各种用途的处理器核心。

  • 多级架构：RISC-V规范支持多级流水线和超标量执行，使其适用于高性能处理器的设计。

  • 广泛应用：RISC-V架构已经得到广泛的应用，包括嵌入式系统、物联网设备、数据中心服务器、高性能计算（HPC）和人工智能（AI）应用等。它也用于教育和研究领域。

  • 开源社区：RISC-V的发展是由一个积极的开源社区推动的，包括学术界、工业界和个人爱好者。这个社区不断推动RISC-V技术的发展和创新。

  • 软件支持：RISC-V有广泛的软件支持，包括多种操作系统（如Linux、FreeRTOS）、编程工具、模拟器和调试工具。

  • 安全性：RISC-V架构越来越注重安全性，提供了各种硬件和软件安全功能，以保护设备和数据免受恶意攻击。

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